SAHA UYGULAMA DEPARTMAN ŞEFİ
Özdisan Elektronik firmasının distribütörlüğünü yapmış olduğu Excelitas firması, optik algılama sistemlerindeki başarısı ile kendini dünya çapında kanıtlamış firmalar arasında yer alıyor. Optik algılama uzun yıllardır hareket, varlık ve sıcaklık algılama sistemlerinde kullanılıyor. Bunların arasından sıcaklık algılama günümüzde öyle bir öneme sahip oldu ki, bu işi yapacak sensör üreten firmaya da bu sensörü kullanacak müşteriye de çok büyük işler düşüyor. Son zamanlarda tüm dünyanın muzdarip olduğu ve zorunlu olarak önlem alındığı koronavirüs salgınından sonra insanların sıcaklığını temastan kaçınarak ölçmek isteyen birçok firma oluşmuştur. Temassız sıcaklık ölçümü metodunda maalesef ki yalnızca kullanılan sensörün doğruluğu yetmiyor. Bunun yanı sıra IR ışımayı, yansımayı ölçüm açılarını, ölçüm mesafesini ve buna benzer birçok parametreyi hesaba katarak sonuca ulaşmak gerekiyor. Bu yazımızda sistemsel olarak Excelitas CaliPile ürününü kullanarak bu ölçüm metodunu anlatmaya çalışacağız. Excelitas, Thermopile kategorisinde birçok sıcaklık sensörü üretiyor. Bu sensörlerin kabiliyetleri birbirine göre farklılıklar gösteriyor. Ana kategorilerden bahsetmek gerekirse bunlar;
• Analog Thermopile grubu,
• Dijital Thermopile grubu,
• PreCalibrated Dijital (CaliPile) Thermopile grubu,
Teorik olarak bakıldığında her üç grupta aynı işlemi yapıyor. Baktıkları yüzeyin ilgili açı derecesine göre sıcaklığını ölçüp bilgi veriyor fakat iş burada kullanıcının uzmanlığına göre değişiyor. Analog ve kalibrasyonsuz dijital sensör kullanımında insan bedeninden yayılan ışımayı ve bu ölçme metodunun arka planındaki fizik kurallarını bilmenin yanı sıra birde sensör tarafında bu konulara hakim olmak
gerekiyor. Bu nedenle Excelitas firması kullanıcılarını sensörle uğraştırmadan direkt olarak uygulamaya yöneltebilmek adına ön kalibrasyonlu (Pre-Calibrated) serisi olan CaliPile serisini ortaya çıkardı. CaliPile
serisi üç farklı kılıfta sunuluyor. Bunlardan bir tanesi SMD kılıfta olmakla birlikte diğerleri metal DIP kılıftadır.
“MultiSensor geliştirme kiti, Excelitas’ın tüm dijital
sensörlerin test edilmesinde kullanılabiliyor.”
Aralarındaki temel fark görüş açısıdır. Görüş açısı tamamen uygulamaya göre değişen bir parametredir. Görüş açılarına göre CaliPile serisi aşağıdaki gibidir;
• TPIS 1S 1385 / 5029 (SMD) görüş açısı 120 derecedir
• TPIS 1T 1084 / 7502 (DIP) görüş açısı 60 derecedir
• TPIS 1T 1086 L5.5 (DIP) görüş açısı 5 derecedir
Buradaki seçim kriterini şu şekilde örnekleyebiliriz, bir odanın sıcaklığının ölçülmek istenildiği bir projede sensörün tüm odayı görmesi istendiği için burada 120derece gibi geniş bir görüş açısı seçilirken, insan sıcaklığı ölçmek istenilen bir projede yalnızca ölçülmek istenilen bölgenin (alın) sıcaklığı ölçülmek istendiği için en dar açı seçilmesi uygun olacaktır. Calipile sensörler çok yaygın bir haberleşme protokolü olan I2C haberleşmesi ile çalışıyor. İçerisinde bulunan çeşitli filtreleri uygun ayarlara getirerek sensörün çalışması sağlanabiliyor. Sensörü test edebilmek adına Excelitas firması hem bu ürünlerin çalışabileceği bir geliştirme kiti sunarken hem de tüm bu karmaşa içerisinde deneyimlemeyi artırmak için bilgisayar yazılımı sunuyor. Excelitas firmasının ürettiği MultiSensor ismini verdikleri geliştirme kiti, yine Excelitas firmasının ürettiği tüm dijital sensörlerin test edilmesinde kullanılabiliyor. Bu sensör kiti kullanarak bir PCB tasarımı yapmadan, bir satır kod yazmadan sensörler test edilebilir ve kullanıma uygun olup olmadığı öngörülebiliyor. Sadece demokit ile desteklemekle kalmayıp, tüm register değerlerini anlık olarak gösteren ve görsel test imkanı sağlayan bir bilgisayar yazılımı ile de destek oluyor.
CaliPile serisi ürünler, 4 farklı modda kullanılabiliyor. Bunlar; sıcaklık ölçümü, sıcaklık alarmı, hareket algılama ve varlık algılamadır. Sıcaklık algılama kısmına girdiğimizde karşımıza hem baktığı objenin hem de ortamının sıcaklığını gösteren bir sistem çıkıyor. Burada hem değişim hızını seçebilirken hem de objenin sıcaklığını elle girerek kayıt edilebiliyor. Gelen verilerin tablosal değişimini izleyebiliyorken değişim sıklığı kontrol edilebilmektedir.
Gelen verilerin ham değerlerinden tutunda, ilgili register değerlerine kadar her şeyi gerçek zamanlı görebileceğiniz bir ara yüz bulunuyor. Filtre değerleri ile oynayarak değişimi ne kadar etkilediği burada
gözlemlenebiliyor. Testlerin sonucunda elde edilen değerler, yazılım sonucunda ayar olarak kullanılarak geliştirme kısmında kolaylık sağlanıyor. Böylece temassız sıcaklık ölçme sisteminin en önemli iki aşamasından birincisi olan sensörü kullanma kısmını başarılı bir şekilde gerçekleştiriyoruz. Diğer önemli aşama ise sensörün kalibrasyonu aşamasıdır.
Yazımızın en başında CaliPile ailesinin üç farklı görüş açısında sunulduğundan bahsetmiştik. Burada sunulan 5 derecelik ürün temassız sıcaklık ölçümü için olmazsa olmaz bir kriterdir. Bunun en önemli sebebi ise temassız sıcaklık ölçümünde tasarlanan ürün insan bedeninden belli bir mesafe uzakta tutuluyor. Bu mesafe kişiden kişiye değişiklik göstermekle birlikte hep aynı mesafeden ölçmek mümkün olmamaktadır. İş böyle olunca insan bedenine 1cm uzaklıkta tutulan ürün ile 15cm uzaklıkta tutulan
ürün arasında ciddi ölçüm farkları oluşuyor. Sıcaklık sensörünün görüş açısı ile uzaklıktan oluşan bir koninin alanını ve bu koni içerisine giren hava yoğunluğuna göre bir ölçüm yaptığını biliyoruz. Bu hesaplamaya şu şekilde daha anlaşılır bir şekilde örnek verebiliriz;
1) 120 derecelik görüş açısı sensör kullanıldığında
a. 1cm uzaklık için;
Koninin yüksekliği 1 cm, tepe açısı 120 derece olarak hesaba kattığımızda
Koni taban yarıçapı: 1.73 cm
Koni taban alanı: 9.42 cm²
Koni hacmi: 3.14 cm³
b. 15cm uzaklık için;
Koninin yüksekliği 15 cm, tepe açısı 120 derece olarak hesaba kattığımızda
Koni taban yarıçapı: 25.98 cm
Koni taban alanı: 2120.45 cm²
Koni hacmi: 10602.25 cm³
2) 5 derecelik görüş açısı sensör kullanıldığında
a. 1cm uzaklık için;
Koninin yüksekliği 1 cm, tepe açısı 5 derece olarak hesaba kattığımızda
Koni taban yarıçapı: 0.04 cm
Koni taban alanı: 0.0054 cm²
Koni hacmi: 0.0018 cm³
b. 15cm uzaklık için;
Koninin yüksekliği 15 cm, tepe açısı 5 derece olarak hesaba kattığımızda
Koni taban yarıçapı: 0.65 cm
Koni taban alanı: 1.3474 cm²
Koni hacmi: 6.7373 cm³
“Kullanılacak lensin materyal sıcaklığı, sensör ile aynı olmalıdır.”
Yapılan hesaplamalarda da görüldüğü üzere tüm sistemin aynı olduğu koşullarda (yazılım ve donanım) yalnızca sensör görüş açısını değiştirdiğimizde ortaya kontrol edilemeyecek büyüklükler çıkıyor. Bu nedenle temassız sıcaklık ölçme projesinde dar açılı ürün kullanmak opsiyonel olmaktan çıkıp zorunlu hale geliyor. Amacımız ölçüm yapılan taban alanı ve ölçüm yapacak cihaz ile ölçüm yapılacak obje arasındaki mesafeyi olabildiğince aza indirmeliyiz.. Sensörün sıcaklığı ölçülecek bölgeye oldukça dar açıyla bakması ölçüm sonuçlarını doğrudan etkileyeceği için dar açılı sensör kullanılmasına rağmen yine de bir lens kullanılması öneriliyor. Burada dikkat edilmesi gereken hususlardan bir tanesi kullanılacak lensin materyal sıcaklığı, sensör ile aynı olmalıdır. Aksi halde, sensör lensi göreceğinden dolayı ölçeceği sıcaklığa etki edecektir. Lens kullanımından sonra dışarıdan gelen istenmeyen ışıklar filtrelenmiş olacaktır. Böylece sıcaklığın ölçüleceği bölge ile sensör arasındaki mesafeyi değiştirmemek koşulu ile doğru bir ölçüm elde etmiş olacağız. Yukarıda yapmış olduğumuz hesaplama örneğinde de görüldüğü gibi, mesafe değiştikçe koninin hacmi değişeceğinden dolayı ölçüm hataları meydana gelecektir. Bunun önüne geçmek için, ürüne bir mesafe algılayıcı eklenebilir. Bu mesafe algılayıcısından alınacak uzaklık bilgisine göre sıcaklık kalibrasyonu yapılabilir. Excelitas CaliPile sensörleri medikal derecede doğruluğa sahip olmakla birlikte doğru kullanıldığında çok hassas ürünler üretilebilir.
